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LOQ 4017 OPERAÇÕES UNITÁRIAS EXPERIMENTAL II UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ENGENHARIA QUÍMICA Profa. Lívia Chaguri E-mail: [email protected]

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LOQ 4017 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS

EXPERIMENTAL II

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ENGENHARIA QUÍMICA

Profa. Lívia Chaguri

E-mail: [email protected]

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FILTRAÇÃO

1° Semestre de 2015

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Filtração: separação de partículas sólidas de um fluido pela

passagem desse fluido em um meio filtrante ou parede separadora,

no qual os sólidos são depositados (McCabe, 2007).

Filtrações industriais: simples ou complexas.

Fluido: líquido ou gás.

Filtrado: líquido, sólido ou ambos.

Desenvolvimento de diversos tipos de filtros: variedade de materiais

a serem filtrados. Diferentes condições de operação dos processos.

Introdução

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Mecanismos de Filtração

Introdução

Filtro de torta Filtro clarificador

Filtro de fluxo transversal

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Mecanismos de Filtração

Introdução

Força motriz: diferença de pressão.

Classificação dos filtros pela força motriz:

- Filtros que operam com P superior a atmosférica – ação força

gravitacional (bomba) ou centrífuga.

- Filtros que operam com P atmosférica.

- Filtros que operam á vácuo – mais utilizados na indústria.

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Introdução

Os filtros podem funcionar:

por ação da gravidade, o líquido flui devido a existência

de uma coluna hidrostática;

por ação de força centrífuga;

por meio da aplicação de pressão ou vácuo para

aumentar a taxa de fluxo.

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Mecanismos de Filtração

Introdução

Filtros de torta: separam grandes quantidades de sólidos em forma

de torta ou lodos.

Dispositivos para lavagem da torta.

Filtros clarificadores: separam pequenas quantidades de sólidos

para produzir gás limpo ou líquido transparente (bebidas).

Filtros de fluxo transversal: a suspensão da alimentação flui sobre

pressão com velocidade alta atravessando o meio filtrante.

Forma camada fina de sólidos na superfície do meio. Parte do

líquido passa pelo meio como filtrado. Suspensão mais concentrada.

Separação e concentração de partículas coloidais.

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Filtro de torta

No início da filtração algumas partículas sólidas entram nos poros

do meio filtrante e ficam imobilizadas.

Depósito de partículas sólidas sobre a superfície do meio filtrante.

Formação da torta de sólidos: realiza a filtração e não o meio

filtrante.

Torta: aumento da espessura: necessário retirar periodicamente.

Filtros de torta: separações sólido-líquido.

Podem operar com pressão maior que a atmosférica e a vácuo.

Operam fluxo contínuo ou batelada.

Maioria é batelada: dificuldade de descarregar sólidos contra uma

pressão positiva.

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Filtro de torta

Filtrado

Alimentação

Meio poroso

Torta

Ele separa as partículas em uma fase sólida

(“torta”) e permite o escoamento de um fluido claro

(“filtrado”).

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Filtro de pressão descontínuos

Filtro Prensa

- Utilizam uma elevada pressão diferencial através do meio

filtrante para conseguir filtração rápida, econômica com líquidos

viscosos ou sólidos finos.

- Conjunto de placas desenhadas para proporcionar uma série de

câmaras ou compartimentos para coletar os sólidos.

- Placas são cobertas pelo meio filtrante – lona.

- Suspensão é introduzida em cada compartimento sobre pressão.

- O líquido atravessa a lona e sai por um tubo de descarga.

- Torta fica retida entre as placas com sólidos úmidos.

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Filtro de pressão descontínuos

Filtro Prensa

- Placas podem ser quadradas, circulares, verticais ou horizontais.

- Filtro é formado por placas e quadros

- Placas quadradas são alternadas com os quadros abertos.

- Placas e os quadros estão acopladas por parafusos ou prensa

hidráulica.

- Suspensão entra por um extremo do conjunto de placas e quadros,

passa por uma esquina até o canal longitudinal que percorre o

equipamento.

- Sólidos são depositados nos lados cobertos da tela das placas.

- Líquido passa pelas telas, desce pela placa e sai do filtro prensa.

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Filtro de pressão descontínuos

Filtro PrensaDescarga do

filtrado

Placa

fixa Placa

de

polipropileno

Placa

móvel Painel de

controle

Cilindro

hidráulico

Alimentação

da suspensão

Freio do

cilindro

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Filtro Prensa - Operação Acomoda-se as placas e quadros: montagem da prensa.

Alimentação da suspensão por meio de uma bomba ou tanque

pressurizado (3 a 10 atm).

Filtração da suspensão até que não saia mais líquido na descarga ou a

pressão de filtração aumente subitamente: quadros cheios de sólidos.

Entrada do líquido de limpeza para extrair impurezas solúveis dos

sólidos.

Insuflação da torta com vapor ou ar para deslocar todo líquido residual.

Abertura da prensa: retirada da torta do meio filtrante.

Torta: cai em uma esteira transportadora de sólidos para um depósito de

armazenamento.

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Filtro Prensa - Operação

https://www.youtube.com/watch?v=3egFDlWXH-w

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Filtro Prensa - Operação

Industrialmente: operação automatizada.

Limpeza da torta pode durar várias horas: líquido vai por

caminhos mais fáceis, evita partes com empacotamento da

torta.

Filtro de tecido

TortaMarco

Placa

Alimentação

Filtrado

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Filtro-Prensa

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Carga

SecagemSecagem

Ciclo de lavagem

Descarga

Válvula automática

Formação da tortaSuspensão

Filtros contínuos a vácuo- Líquido é puxado por um meio filtrante em movimento

- Meio filtrante: depósito de torta

- Torta é separada da zona de filtração, lavada, seca por aspiração e

volta ao meio filtrante para reiniciar outra filtração.

- Saída de líquidos e sólidos de forma contínua.

- Pressão diferencial do meio filtrante não é elevada (250 – 500

mmHg).

- Tipos de filtro: tambor rotatório e tambor rotatório a pressão.

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Filtro de tambor a vácuo, rotativo e contínuo.

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Filtração centrífuga- Sólidos que formam uma torta porosa podem ser separados dos

líquidos em uma centrífuga filtrante.

- Suspensão é alimentada em uma cesta rotatória com parede

perfurada recoberta com meio filtrante (lona ou tela metálica).

- Pressão resultante da ação centrífuga obriga o líquido passar pelo

meio filtrante, ficando os sólidos retidos.

- Quando não alimentada e a centrifugação continua, a torta de

sólidos fica livre da maior parte do líquido residual.

- Torta mais seca comparada ao filtro prensa e vácuo.

- Tipos de centrífugas de filtração: máquinas suspensas que operam

de forma descontínua, máquinas automáticas de ciclo curto e

centrífugas contínuas transportadoras.

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Filtração centrífuga- máquinas suspensas que operam de forma descontínua,

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Filtração centrífuga- Centrífuga automática descontínua

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Filtração centrífuga- Centrífuga transportadora contínua

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Meios filtrantes

1. Reter os sólidos a serem filtrados: filtrado claro.

2. Não obstruir-se.

3. Ser química e fisicamente resistentes.

4. Permitir que a torta formada se desprenda de forma completa e

limpa.

5. Não ser excessivamente caro.

Meio filtrante:

Industrial: tela de lona

Líquidos corrosivos: tela de lã, de aço inoxidável, vidro ou papel.

Fibras sintéticas: náilon, propileno e poliéster – elevada

resistência química.

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Fundamentos da filtração – filtro prensa

Um ciclo completo de operação em um filtro prensa compreende

três etapas:

1. a filtração no tempo t,

2. a lavagem da torta no tempo tL (ocasionalmente desnecessária)

3. descarga, limpeza e montagem do filtro no tempo tD.

A produção ou capacidade do filtrado, C, é expressa por:

DL ttt

VC

V = Volume do filtrado

t+ tL + tD = tempo do ciclo completo

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Fundamentos da filtração

FILTRAÇÃO COM TORTAS INCOMPRESSÍVEIS

A resistência oferecida pela torta, como apresentado, depende da

sua compressibilidade. Todavia, na maioria das situações de

interesse industrial a filtração é conduzida sob queda de pressão

constante.

Por via de consequência, a Equação Δp = p – p1 (para sistemas

com tortas compressíveis) é retomada como:

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Fundamentos da filtração

FILTRAÇÃO COM TORTAS COMPRESSÍVEIS

α = Resistência específica da torta (bolo).

Se α é independente de ΔP a torta é incompressível. Mas usualmente α

aumenta com ΔP, pois a torta geralmente é compressível.

Assim:

Torta de filtração compressível e incompressível

SP)(0

Sendo:

• α0 - Resistência específica da torta em pressão nula; é uma constante;

• S – Fator de compressibilidade da torta, constante em domínios

moderados de pressão;

• Quando s = 0, tortas incompressíveis.

• Para s entre 0 e 1, tortas compressíveis.

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ExercícioFiltrações a pressão constante foram realizadas para uma suspensão de

CaCO3 em H2O sendo obtidos os resultados apresentados na tabela. A

superfície total de filtração foi 440 cm2, a massa de sólidos por volume

de filtrado foi de 23,5 g/L e a temperatura foi de 25 C (μH2O=0,886x10-

3kg/m s). Calcule os valores de α e Rm em função da diferença de

pressão e elabore uma correlação empírica entre α e P.